4. Лазерные материалы

Существует большое количество лазерных материалов, подоб­ных рубину (табл. 1 и 2). Это прежде всего стекло, в которое введены атомы неодима (Nd). С успехом применяется для соз­дания лазера флюорит кальция (CaF₂), в который введены атомы диспрозия или самария (Sm) и др. Все эти ве­щества — твердые тела, рабочими в них являются атомы ных примесей, уровни к-рых используются для возбуждения ге­нерации за счет накачки лампой-вспышкой. Разные материалы дают световое излучение с различной длиной волны К. Так, рубин излучает красный свет с А ^ 0,7 мкм, неодимовое стекло дает инфракрасное излучение с длиной волны К — = 1,06 мкм, а флюорит кальция с диспрозием генерирует еще бо­лее длинную волну К ^ 2,5 мкм. Неодимовое стекло обладает нек­рым преимуществом перед рубином. Изготовить однородный стер­жень из неодимового стекла для Л. проще, чем из рубина. Его

кЗ Ы К i-< М Й р ръ о

о

к1 > j р

р о

с

""5

р

О

+

Р

00

00

4- —

' СП

О

_О

*4

Ус

о

v; a

-г -г

+

к!

+ с

-j. -4-+ '

, 4-

0 н н-^sj -v i_L С >ц

₇⁺⁺ _^ ^г

+ + ©г~

1 о

a

о

4­4-

_a

т

■t-+

-г

2

+

о оо

05 СЛ СО

оо oi

о о

сп) сг

со со

CD в

со со

О CD —1 1

СО г—

-.1 О' эо

о

о

§

0

_о

СП ^

х £*S.

^ Р л ь-

^JT ' в

II 5 t»g eg и I

ОЙ

§ ⁰ §

*0?

cd

^и 2

S 43

О Зс

Я

^ 13 i-i 43

* *

_й1Г

О ^ l

S

tow-^

К. —43

и»

та о

со аз

ft ' ' 03

я с з + я

сг

CO sa 9 03

Зи

2 51

—*

с К

О 1

1-Г¹

ОО 5 'в'

о аэ

to к! * 43 W

н о

to

<

•а

о 2

О		О	о
	03	ft3
щ		149	ч§
		*•«
, *			t -к
Hi		О	С
S			+
i			+

О

+ + +

N>

о

_о

jo

to to

CD "*0 CO

co

со

C2

₊

Ю DO COtO

to

ГО Co

СО

со

СО

~0 "CD

и*

CO

00

Oi

-.1 —0

ro^s £° , -bo -co COO' со 10 ro

О -1 -о

to

CD Ol CD О

to -<j

tO Ю tO i—» CO СЛ СЛ CI CD

CO О СП >-* OS t— ГО О CD О

о со

О О ОО -J о сл о о о о

О ^

я

СЛ

_{* 1}

,^!43 КЧ

Й Eli,

_а

43

я а ^

я •в а

3 ^Я »

fie

с« я

С5

43 сэ аэ

j

я

03

_О

+

о

CD

CO

CD

to

CD CD

К

CO

со

ЕЬ*5 в

ft

о

₈

2|

4­4­4-

О

CO

—J

00 О¹

CD

СП

вс

03

_{II 1а}

43 S

§ л? а:

О -.

m Ш , ^ 11 л ■

О (D О'

Э _. О

О ^|~< 2

"С

_я

О

См

* *

о

сс со

со

о

О

к

Я 43 Р§оз

в я а

) с "У

*-я £

^WS2!

> 2
s
в
fio
CD
И
по
о	аз
о -•3
во

^с j3 я о

О

тз о

CD

Длина вол­ны Я,, м/см

Темпера­тура Т, К

Пороговая

мощность

P_nnn, em пор*

cd 03

со

CD 43

Выходная мощность Р,

ет

а Я

Я)

_я

s

а

Fir

■ Щ1

rrV

можно сделать значительно большего размера как по длине, так и по сечению. Если обычно применяемые рубиновые стержни имеют длину ^ 15—20 см и диаметр 0,3—1,5 см, то стеклянные стер­жни могут достигать длины 0,5—1 м и диаметра до 5 см. Неоди-мовое стекло обладает лучшей оптич. прозрачностью, чем рубин, т. е. в нем меньше паразитных потерь света. Ширина полос у него

тоже несколько больше, чем у рубина, что приводит к большему

кпд. Однако благодаря все улучшающемуся качеству рубиновых стержней его оптич. прозрачность все больше "приближается к проз­рачности неодимового стекла. Главное же достоинство рубина -высокая прочность. Рубиновые стержни выдерживают большие удельные мощности генерируемого света, чем неодимовое стекло. Установлено, что при длительности импульса 10~⁸—10~⁹ сек ру­бин выдерживает мощности до 3—4 • 10⁹ вт на каждый см² попереч­ного сечения стержня, а неодимовое стекло только 1—1,5-10⁹ вт.

Т. о., если от Л., работающего в обычном режиме, хотят полу­чить большую энергию светового импульса, то целесообразно использовать большие стержни неодимового стекла, дающие воз­можность получать от одного кристалла 100—1000 дж за импульс длительностью в доли сек. Это соответствует мощности до 1 Мет. Если же необходимо иметь большие мощности от генератора меньших размеров, работающего в режиме гигант­ского импульса, то предпочтительнее использовать рубиновые Л.

Особенности структуры и энергетич. уровней Dy в кристалле флюорита каль­ция позволяют использовать этот мате­риал для создания достаточно мощных Л_м работающих непрерывно. Свет лампы

переводит атомы Dy через широкую по­лосу энергии й^и₃ на уровень ё\ (рис. 16).

В отличие от руоина, в схеме уровней Dy уровни атомов Dy в элек- имеется4-й уровень &\, лежащий между тричееком поле кристалла ё°_г и (£°₂. Этот уровень по энергии отстоит CaF₃.

от уровня настолько высоко, что при

темп-ре жидкого азота населенность его iV₄ практически равна нулю. Т. к. уровень ё\ пуст, то нет необходимости перекачивать на уро­вень ё\ больше половины атомов. Достаточно лишь, чтобы разность населенностей AN — iV₂ — iV₄ превысила пороговое значение AN_n, к-рое, как мы видели из анализа работы рубинового Л., состав­ляет малую долю общего числа атомов примеси. Поэтому достаточна сравнительно небольшая мощность лампы 15—20 вт), нака­чивающей рабочее вещество Л. Это, как уже отмечалось выше,

дает возможность осуществить не импульсную, а непрерывную работу Л., что очень важно для ряда применений (см. ниже). Кроме того, непрерывная накачка позволяет генерировать гигантские импульсы с большой частотой повторения (до неск. кгц). Получа­емые при этом мощности света в каждом импульсе ^ 1—2 Мет.

Бурное развитие квантовой электроники привело к ноявле шш большого количества разнообразных лазерных материалов. Это - диэлектрические кристаллы, стёкла, газы, полупроводники, жидкости и даже илазма. Не будех> большим преувеличением ска­зать, что можно заставить «работать» в Л. любое вещество в любом агрегатном состоянии. Лишь твердые металлы еще не исполь­зуются в Л. в качестве рабочей среды. Конечно, не все созданные Л. оказались равноценными, не к-рые их них были небольшим эпи­зодом в развитии лазерной техники. Другие же положили начало новым направлениям в квантовой электронике. К числу последних, кроме описанных твердотельных Л., относятся газовые лазеры и полупроводниковые лазеры.

Весьма интересны Л., в к-рых рабочей средой служат жидкие диэлектрики с примесными рабочими атомами — жидкостные Л. Оказалось, что, растворяя редкоземельные элементы в нек-рых жидкостях, можно получить структуру энергетич. уровней, очень сходную со структурой уровней примесных атомов в твердых ди­электриках. Поэтому принцип работы жидкостных Л. тот же, что и твердотельных. Преимущества жидкостных Л. очевидны: во-иер-вых, не нужно ни растить кристаллы, ни варить стекло высокого качества (что является нелегкой задачей); во-вторых, жидкостью можно заполнить любой объем. Это очень перспективное направ­ление лазерной техники, однако здесь много нерешенных проблем. Одна из них — нестойкость жидкости по отношению к большим интенсивностям света (и накачки, и генерации). Вторая — изме­нение коэфф. преломления активного вещества в процессе генера­ции из-за нагревания. Это приводит к тому, что генерируемый луч «гуляет» по торцу резонатора (см. Жидкостные лазеры. Лазеры на красит елях).

Ширина спектральной линии. До сих пор предполагалось, что излучение Л. абсолютно монохроматично, и его длина волны К (или частота v) однозначно определяются разностью энергии двух выбранных энергетич. уровней: v= (б_т— <o_n)/h.B действитель­ности же излучение Л. не является абсолютно монохроматичным, а содержит спектр частот. Рассмотрим более подробно причины немонохроматичности лазерного излучения.

Выберем в атоме два энергетич. уровня, разность энергий между к-рыми равна hv₀, и будем наблюдать, как изменяется поглощение света за счет переходов атомов с нижнего уровня на верхний при

изменении частоты света, взаимодействующего с атомами. Ока­зывается, что поглощение света атомами происходит не только на строго определенной резонансной частоте v₀, а в целом интер­вале частот Av_ri. Причиной этого является конечная ширина уровней.

Уровни атомов и молекул несколько размыты. Соответствую­щая им энергия имеет не строго определенное значение, а может принимать любое значение в узком энергетич. интервале Асо. Одна из причин такого расширения уровней состоит в том, что атом практически никогда не является изолированным — он на­ходится в соседстве с др. атомами и взаимодействует с ними, а это придает спектральным линиям конечную ширину A v. Существуют и др. факторы, расширяющие спектральные линии (подробнее см. Ширина спектральных линий, Неопределенностей соотношение).

Возникает вопрос, можно ли вообще говорить о дискретных значениях энергии атома и дискретности спектральных линий. Оказывается, можно, если ширина линии А\_л мала по сравнению с частотой v₀ перехода. Для рубина, напр., Avj, - \0¹Чц при v₀ = = 4-10¹⁴ гц, так что Ау_л/у₀ = 2,5 • 10 ⁴, т. е. ширина линии со­ставляет сотые доли процента от частоты перехода. В этом случае

должен генерировать чисто ширину монохроматич. излучение

на частоте v₀. Ведь в процессе многократного усиления света при его распространении между зеркалами свет макс, интенсивности на частоте v₀ доминировал бы над светом любой др. частоты, даже сколь угодно близкой к v₀, т. к. для него усиление больше. На деле же это оказывается не так, и повинна в этом система зеркал.

! IS.".'

можно говорить о дискретности уровней и спектральных линии. Однако при подробном рассмотрении структуры спектра пренебре­гать шириной спектральной линии нельзя (рис. 17).

Частота

поглощаемого или излучаемого

*=- света

v

И злучение атомов, обусловленное спонтанными переходами их с более высокого уровня энергии на более низкий, так же как и поглощение, происходит в том же частотном иитер Поглощаемая или вале — Avji. Макс, значе- | излучаемая ние интенсивности излуче- мощность ния достигается на резо­нансной частоте v₀ и интен­сивность излучения убывает по мере удаления от часто­ты v_ft.

jr

Казалось бы, что, не­смотря на ширину спек­тральной линии, Л. все же Рис. 17. Спектральная линия атома имеет

- резонансная частота.